正點原子-戰艦V3第十六章 電容觸摸按鍵實驗

上一章，我們介紹了 STM32F1 的輸入捕獲功能及其使用。這一章，我們將向大家介

紹如何通過輸入捕獲功能，來做一個電容觸摸按鍵。在本章中，我們將用 TIM5 的通

道 2（PA1）來做輸入捕獲，並實現一個簡單的電容觸摸按鍵，通過該按鍵控制

DS1 的亮滅。從本章分為如下幾個部分：

16.1 電容觸摸按鍵簡介

16.2 硬體設計

16.3 軟體設計

16.4 下載驗證

16.1 電容觸摸按鍵簡介

觸摸按鍵相對於傳統的機械按鍵有壽命長、佔用空間少、易於操作等諸多優點。大家

看看如今的手機，觸控螢幕、觸摸按鍵大行其道，而傳統的機械按鍵，正在逐步從手機

上面消失。本章，我們將給大家介紹一種簡單的觸摸按鍵：電容式觸摸按鍵。

我們將利用戰艦 STM32F103 上的觸摸按鍵（TPAD），來實現對 DS1 的亮滅控

制。這裡 TPAD其實就是戰艦 STM32F103 上的一小塊覆銅區域，實現原理如圖

16.1.1 所示：

圖 16.1.1 電容觸摸按鍵原理

這裡我們使用的是檢測電容充放電時間的方法來判斷是否有觸摸，圖中 R 是外接的電

容充電電阻，Cs 是沒有觸摸按下時 TPAD 與 PCB 之間的雜散電容。而 Cx 則是有手

指按下的時候，手指與 TPAD 之間形成的電容。圖中的開關是電容放電開關（由實

際使用時，由 STM32F1 的IO 代替）。

先用開關將 Cs（或 Cs+Cx）上的電放盡，然後斷開開關，讓 R 給 Cs（或 Cs+Cx）

充電，當沒有手指觸摸的時候，Cs 的充電曲線如圖中的 A 曲線。而當有手指觸摸的

時候，手指和 TPAD之間引入了新的電容 Cx，此時 Cs+Cx 的充電曲線如圖中的 B

曲線。從上圖可以看出，A、B兩種情況下，Vc 達到 Vth 的時間分別為 Tcs 和

Tcs+Tcx。

其中，除了 Cs 和 Cx 我們需要計算，其他都是已知的，根據電容充放電公式：

Vc=V0*(1-e^(-t/RC))

其中 Vc 為電容電壓，V0 為充電電壓，R 為充電電阻，C 為電容容值，e 為自然底

數，t 為充電時間。根據這個公式，我們就可以計算出 Cs 和 Cx。利用這個公式，我

們還可以把戰艦開發板作為一個簡單的電容計，直接可以測電容容量了，有興趣的朋

友可以搗鼓下。

在本章中，其實我們只要能夠區分 Tcs 和 Tcs+Tcx，就已經可以實現觸摸檢測了，當

充電時間在 Tcs 附近，就可以認為沒有觸摸，而當充電時間大於 Tcs+Tx 時，就認為

有觸摸按下（Tx為檢測閥值）。

本章，我們使用 PA1(TIM5_CH2)來檢測 TPAD 是否有觸摸，在每次檢測之前，我們

先配置PA1 為推輓輸出，將電容 Cs（或 Cs+Cx）放電，然後配置 PA1 為浮空輸

入，利用外部上拉電阻給電容 Cs(Cs+Cx)充電，同時開啟 TIM5_CH2 的輸入捕獲，

檢測上升沿，當檢測到上升沿的時候，就認為電容充電完成了，完成一次捕獲檢測。

在 MCU 每次復位重啟的時候，我們執行一次捕獲檢測（可以認為沒觸摸），記錄此

時的值，記為 tpad_default_val，作為判斷的依據。在後續的捕獲檢測，我們就通過

與 tpad_default_val 的對比，來判斷是不是有觸摸發生。

關於輸入捕獲的配置，在上一章我們已經有詳細介紹了，這裡我們就不再介紹。至

此，電容觸摸按鍵的原理介紹完畢。

16.2 硬體設計

本實驗用到的硬體資源有：

1） 指示燈 DS0 和 DS1

2） 定時器 TIM2

3） 觸摸按鍵 TPAD

前面兩個之前均有介紹，我們需要通過 TIM5_CH2（PA1）採集 TPAD 的信號，所以

本實驗需要用跳線帽短接多功能埠（P10）的 TPAD 和 ADC，以實現 TPAD 連接

到 PA1。如圖 16.2.1所示：

圖 16.2.1 TPAD 與 STM32F1 連接原理圖

硬體設置（用跳線帽短接多功能埠的 ADC 和 TPAD 即可）好之後，下面我們開始

軟體設計。

16.3 軟體設計

軟體設計我們在之前的工程上面增加，由於本章我們用不到 timer.c，所以先刪掉

timer.c。然後在 HARDWARE 文件夾下新建 TPAD 的文件夾。然後打開 USER 文件

夾下的工程，新建一個 tpad.c 的文件和 tpad.h 的頭文件，保存在 TAPD 文件夾

下，並將 TPAD 文件夾加入頭文件包含路徑。

我們在 tpad.c 裡輸入如下代碼：

#include "tpad.h"

#include "delay.h"

#include "usart.h"

TIM_HandleTypeDef TIM5_Handler; //定時器 5 句柄

#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF //最大的 ARR 值(TIM5 是 16 位定時器)

vu16 tpad_default_val=0; //空載的時候(沒有手按下),計數器需要的時間

//初始化觸摸按鍵

//獲得空載的時候觸摸按鍵的取值.

//psc:分頻係數,越小,靈敏度越高.

//返回值:0,初始化成功;1,初始化失敗

u8 TPAD_Init(u8 psc)

{

u16 buf[10];

u16 temp;

u8 j,i;

TIM5_CH2_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//設置分頻係數

for(i=0;i<10;i++)//連續讀取 10 次

{

buf[i]=TPAD_Get_Val();

delay_ms(10);

}

for(i=0;i<9;i++)//排序

{

for(j=i+1;j<10;j++)

{

if(buf[i]>buf[j])//升序排列

{

temp=buf[i];

buf[i]=buf[j];

buf[j]=temp;

}

}

}

temp=0;

for(i=2;i<8;i++)temp+=buf[i];//取中間的 8 個數據進行平均

tpad_default_val=temp/6;

printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);

if(tpad_default_val>(vu16)TPAD_ARR_MAX_VAL/2)return 1;

//初始化遇到超過 TPAD_ARR_MAX_VAL/2 的數值,不正常!

return 0;

}

//復位一次

//釋放電容電量，並清除定時器的計數值

void TPAD_Reset(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PA1

GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推輓輸出

GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLDOWN; //下拉

GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; //高速

HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET); //PA1 輸出 0，放電

delay_ms(5);

__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&TIM5_Handler,TIM_FLAG_CC2|TIM_FLAG_UPDATE);

//清除標誌位

__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM5_Handler,0); //計數器值歸 0

GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //推挽復用輸入

GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不帶上下拉

HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);

}

//得到定時器捕獲值

//如果超時,則直接返回定時器的計數值.

//返回值：捕獲值/計數值（超時的情況下返回）

u16 TPAD_Get_Val(void)

{

TPAD_Reset();

while(__HAL_TIM_GET_FLAG(&TIM5_Handler,TIM_FLAG_CC2)==RESET)

//等待捕獲上升沿

{

if(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM5_Handler)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)

return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM5_Handler);//超時了，直接返回 CNT 的值

};

return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_2);

}

//讀取 n 次,取最大值

//n：連續獲取的次數

//返回值：n 次讀數裡面讀到的最大讀數值

u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)

{

u16 temp=0;

u16 res=0;

u8 lcntnum=n*2/3;//至少 2/3*n 的有效個觸摸,才算有效

u8 okcnt=0;

while(n--)

{

temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值

if(temp>(tpad_default_val*5/4))okcnt++;//至少大於默認值的 5/4 才算有效

if(temp>res)res=temp;

}

if(okcnt>=lcntnum)return res;//至少 2/3 的概率,要大於默認值的 5/4 才算有效

else return 0;

}

//掃描觸摸按鍵

//mode:0,不支持連續觸發(按下一次必須鬆開才能按下一次);1,支持連續觸發(可以一直按

下)

//返回值:0,沒有按下;1,有按下;

u8 TPAD_Scan(u8 mode)

{

static u8 keyen=0; //0,可以開始檢測;>0,還不能開始檢測

u8 res=0;

u8 sample=3; //默認採樣次數為 3 次

u16 rval;

if(mode)

{

sample=6; //支持連按的時候，設置採樣次數為 6 次

keyen=0; //支持連按

}

rval=TPAD_Get_MaxVal(sample);

if(rval>(tpad_default_val*4/3)&&rval<(10*tpad_default_val))

//大於 tpad_default_val+(1/3)*tpad_default_val,且小於 10 倍 tpad_default_val,則有效

{

if(keyen==0)res=1; //keyen==0,有效

//printf("r:%d\r\n",rval);

keyen=3; //至少要再過 3 次之後才能按鍵有效

}

if(keyen)keyen--;

return res;

}

//定時器 5 通道 2 輸入捕獲配置

//arr：自動重裝值(TIM2 是 16 位的!!)

//psc：時鐘預分頻數

void TIM5_CH2_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)

{

TIM_IC_InitTypeDef TIM5_CH2Config;

TIM5_Handler.Instance=TIM5; //通用定時器 5

TIM5_Handler.Init.Prescaler=psc; //分頻

TIM5_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP; //向上計數器

TIM5_Handler.Init.Period=arr; //自動裝載值

TIM5_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

HAL_TIM_IC_Init(&TIM5_Handler);

TIM5_CH2Config.ICPolarity=TIM_ICPOLARITY_RISING; //上升沿捕獲

TIM5_CH2Config.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;//映射到 TI1 上

TIM5_CH2Config.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //配置輸入分頻，不分頻

TIM5_CH2Config.ICFilter=0; //配置輸入濾波器，不濾波

HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM5_Handler,&TIM5_CH2Config,TIM_CHANNEL_2);

//配置 TIM5 通道 2

HAL_TIM_IC_Start(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_2); //開始捕獲 TIM5 的通道 2

}

//定時器 5 底層驅動，時鐘使能，引腳配置

//此函數會被 HAL_TIM_IC_Init()調用

//htim:定時器 5 句柄

void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

__HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); //使能 TIM5 時鐘

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); //開啟 GPIOA 時鐘

GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PA1

GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //推挽復用輸入

GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不帶上下拉

GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; //高速

HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);

}

函數TIM5_CH2_Cap_Init和上一章輸入捕獲實驗中函數TIM5_CH1_Cap_Init的配置過程幾

乎是一模一樣的，不同的是上一章實驗開 TIM5_CH1_Cap_Init 函數最後調用的是函數

HAL_TIM_IC_Start_IT，使能輸入捕獲通道的同事開啟了輸入捕獲中斷，而該函數最後調用的

函數是 HAL_TIM_IC_Start，只是開啟了輸入捕獲通道，並沒有開啟輸入捕獲中斷。

函數 HAL_TIM_IC_MspInit 是輸入捕獲通用 MSP 回調函數，該函數的作用是使能定時器

和 GPIO 時鐘，配置 GPIO 復用映射關係。該函數功能和輸入捕獲實驗中該函數作用基本類似。

函數 TPAD_Get_Val 用於得到定時器的一次捕獲值。該函數先調用 TPAD_Reset，將電容放

電，同時設置通過程序__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM5_Handler,0)將計數值 TIM5_CNT 設

置為 0，然後死循環等待發生上升沿捕獲（或計數溢出），將捕獲到的值（或溢出值）作為返回

值返回。

函數 TPAD_Init 用於初始化輸入捕獲，並獲取默認的 TPAD 值。該函數有一個參數，用來

傳遞分頻係數，其實是為了配置 TIM5_CH2_Cap_Init 的計數周期。在該函數中連續 10 次讀取

TPAD 值，將這些值升序排列後取中間 6 個值再做平均（這樣做的目的是儘量減少誤差），並賦

值給 tpad_default_val，用於後續觸摸判斷的標準。

函數 TPAD_Scan 用於掃描 TPAD 是否有觸摸，該函數的參數 mode，用於設置是否支持連

續觸發。返回值如果是 0，說明沒有觸摸，如果是 1，則說明有觸摸。該函數同樣包含了一個靜

態變量，用於檢測控制，類似第七章的 KEY_Scan 函數。所以該函數同樣是不可重入的。在函

數中，我們通過連續讀取 3 次(不支持連續按的時候)TPAD 的值，取最大值和 tpad_default_val*4/3

比較，如果大於則說明有觸摸，如果小於，則說明無觸摸。其中 tpad_default_val 是我們在調用

TPAD_Init 函數的時候得到的值，然後取其 4/3 為門限值。該函數，我們還做了一些其他的條件

限制，讓觸摸按鍵有更好的效果，這個就請大家看代碼自行參悟了。

函數 TPAD_Reset 顧名思義，是進行一次復位操作。先設置 PA1 輸出低電平，電容放電，

同時清除中斷標誌位並且計數器值清零，然後配置 PA1 為復用功能浮空輸入，利用外部上拉電

阻給電容 Cs(Cs+Cx)充電，同時開啟 TIM5_CH2 的輸入捕獲。

函數 TPAD_Get_MaxVal 就非常簡單了，它通過 n 次調用函數 TPAD_Get_Val 採集捕獲值，

然後進行比較後獲取 n 次採集值中的最大值。

tpad.h 頭文件部分代碼比較簡單，這裡不做介紹。

接下來我們看看主函數代碼如下：

int main(void)

{

u8 t=0;

HAL_Init(); //初始化 HAL 庫

Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //設置時鐘,72M

delay_init(72); //初始化延時函數

uart_init(115200); //初始化串口

LED_Init(); //初始化 LED

TPAD_Init(6); //初始化觸摸按鍵

while(1)

{

if(TPAD_Scan(0)) //成功捕獲到了一次上升沿(此函數執行時間至少 15ms)

{

LED1=!LED1; //LED1 取反

}

t++;

if(t==15)

{

t=0;

LED0=!LED0; //LED0 取反,提示程序正在運行

}

delay_ms(10);

}

}

該 main 函數比較簡單，TPAD_Init(6)函數執行之後，就開始觸摸按鍵的掃描，當有觸摸的

時候，對 DS1 取反，而 DS0 則有規律的間隔取反，提示程序正在運行。注意在修改 main 函數

之後，還需要在 main.c 裡面添加 tpad.h 頭文件，否則會報錯哦。

這裡還要提醒一下大家，不要把 uart_init(115200);去掉，因為在 TPAD_Init 函數裡面，我們

有用到 printf，如果你去掉了 uart_init，就會導致 printf 無法執行，從而死機。

至此，我們的軟體設計就完成了。

16.4 下載驗證

在完成軟體設計之後，將我們將編譯好的文件下載到戰艦 STM32 V3 上，可以看到 DS0 慢

速閃爍，此時，我們用手指觸摸 ALIENTEK 戰艦 STM32F103 開發板上的 TPAD（右下角的白

色頭像），就可以控制 DS1 的亮滅了。不過你要確保 TPAD 和 ADC 的跳線帽連接上了哦！如圖

16.4.1 所示：

圖 16.4.1 觸摸區域和跳線帽短接方式示

同時大家可以打開串口調試助手，每次復位的時候，會收到 tpad_default_val 的值，一般為195 左右。